CN104221246A - 用于对蓄能装置的蓄能电池进行充电的方法以及可充电的蓄能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对蓄能装置的蓄能电池进行充电的方法，所述蓄能装置具有多个串联在供能线路中的蓄能模块，所述蓄能模块分别包括具有至少一个蓄能电池的蓄能电池模块以及带有耦合元件的耦合装置，所述耦合元件设计用于将蓄能电池模块选择性地接入或者桥接到供能线路中。在此，所述方法具有下述步骤：将蓄能装置的输出接头与直流电源进行耦合、操控所有蓄能模块的耦合装置来桥接供能线路中的蓄能电池模块长达预先确定的第一时间段并且操控至少一个第一蓄能模块的耦合装置来将第一蓄能模块的蓄能电池模块接入供能线路中长达预先确定的第二时间段，随后经过预先确定的第一时间段。

Description

用于对蓄能装置的蓄能电池进行充电的方法以及可充电的蓄能装置

技术领域

本发明涉及一种用于对蓄能装置的蓄能电池进行充电的方法以及可充电的蓄能装置、尤其用于电驱动车辆的带有模块化的电池系统的蓄能装置。

背景技术

能够发现，未来不仅在固定应用、例如风力发电设备或太阳能设备中而且在车辆、例如混合动力车辆或电动车辆中都越来越多地使用电子系统，其将新能源存储技术与电驱动技术进行组合。

将多相电流馈入电机中通常通过脉冲逆整流器形式的变流器实现。为此，能够将直流中间回路提供的直流电压转换成多相的交流电压例如三相的交流电压。在此，直流中间回路由串联的电池模块构成的线路提供。为了能够满足为各个应用给出的关于功率和能量的要求，经常将牵引电池中的多个电池模块进行串联。

文件DE 10 2010 027 857 A1和DE 10 2010 027 861 A1公开了蓄能装置中模块化连接的电池，其经由耦合单元的合适的操控能够选择性地耦合到由串联的电池构成的线路中或者从其中脱耦。这种类型的系统在Battery Direct Converter(电池直接转换器，BDC）的名义下公开。这种系统包括蓄能模块线路中的直流电源，该直流电源能够经由脉冲逆整流器接入到用于给电机或者电网供给电能的直流中间回路上。

在此，所述蓄能模块线路具有多个串联的蓄能模块，其中每个蓄能模块具有至少一个电池和配属的可控制的耦合单元，其允许根据控制信号桥接各个配属的至少一个电池或者将各个配属的至少一个电池接入到各个蓄能模块线路中。能够可选地如此设计所述耦合单元，使得其允许根据控制信号桥接各个配属的至少一个电池或者将各个配属的至少一个电池接入到各个蓄能模块线路中。能够可选地如此设计所述耦合单元，使得其额外地允许将相应配属的至少一个电池也以颠倒的极性接入到各个蓄能模块线路中，或者也中断各个蓄能模块线路。

BDC通常具有相对于常规的系统更高的效率以及更高的可靠性。此外通过以下方法确保所述可靠性，即通过合适地桥接操控所述耦合单元能够从供能线路中断开有缺陷的、取消的或者不完全有能力的电池。蓄能模块线路的总输出电压能够通过相应地操控耦合单元进行改变，尤其阶梯状地调节。在此，从各个蓄能模块的电压中获得输出电压的阶梯，其中通过蓄能模块线路的所有蓄能模块的电压的总和确定最大可能的总输出电压。

为了调节蓄能模块的输出电压，能够脉宽调制（PWM）地操控耦合单元。由此能够通过有针对性地改变接通或者说断开时间将所希望的中间值作为蓄能模块电压发出。

对于BDC来说，需要发展充电战略，用该充电战略进一步简单、有效并且灵活地对蓄能模块的电池进行充电。

发明内容

本发明根据一个方面实现了对蓄能装置的蓄能电池进行充电的方法，所述蓄能装置具有多个串联在供能线路中的蓄能模块，所述蓄能模块包括相应具有至少一个蓄能电池的蓄能电池模块以及带有耦合元件的耦合装置，该耦合装置设计用于将蓄能电池模块选择性地接入或者桥接到供能线路中。在此，所述方法具有以下步骤：将蓄能装置的输出接头与直流电源进行耦合、操控所有蓄能模块的耦合装置从而将蓄能电池模块桥接在供能线路中长达预先确定的第一时间段以及操控至少一个第一蓄能模块的耦合装置用于将第一蓄能模块的蓄能电池模块接入到供能线路中长达预先确定的第二时间段，随后经过预先确定的第一时间段。

根据另一方面，本发明实现了一种系统，其具有带有多个串联在供能线路中的蓄能模块的蓄能装置，所述蓄能模块分别包括具有至少一个蓄能电池的蓄能电池模块以及带有耦合元件的耦合装置，所述耦合元件设计用于将蓄能电池模块选择性地接入或者桥接到供能线路中。所述系统还具有与蓄能装置的输出接头耦合的直流中间回路、与直流中间回路耦合并且由直流中间回路供给输入电压的脉冲逆整流器、与脉冲逆整流器耦合并且由脉冲逆整流器供给相电压的电机、可接入地与蓄能装置的输出接头进行连接的直流电源以及与耦合装置耦合的控制装置，并且该控制装置设计用于选择性地操控蓄能装置的耦合装置从而提供蓄能装置的总输出电压并且实施按本发明的方法。

本发明的构思是经由直流电源对模块化构造的、具有串联在供能线路中的电池的蓄能装置进行充电。在此使用已经在蓄能装置中使用的组件，从而通过在从直流电源获取充电电流与将保存在中间的充电电流转移到所述蓄能模块中的一个或者多个中之间进行高频变换，来对蓄能装置的蓄能电池进行充电。在此，蓄能模块的耦合装置连同存储节流阀或者蓄能电池模块的寄生电感一起实现了用于直流电源的提高调节器功能，使得其对于蓄能电池来说表现为可调节的恒定电源。

这具有以下优点，即不用额外的部件能够对蓄能装置进行充电，这显著改善了蓄能装置的结构空间、重量和效率。此外能够灵活地对不同的蓄能模块进行充电，由此能够补偿蓄能电池模块之间的充电差。

还提供了以下优点，即能够独立于直流电源的直流电压调节充电电流。由此能够将不同的直流电源用作充电电源。尤其也能够使用具有较高直流电压作为蓄能模块的最大模块电压的直流电源。

最后能够在充电运行中将连接损耗最小化，其方式为将蓄能电池模块的寄生电感合并到充电策略中。

根据按本发明的方法的实施方式，耦合的步骤能够包括将蓄能装置的输出接头之一经由耦合电感与直流电源进行耦合，并且预先确定的第二时间段的持续时间取决于通过耦合电感的电流的数值。以这种方式能够经由耦合电感作为能量中间存储器一方面提高直流电源的充电电压，另一方面抚平充电电流中的电流波动。

作为替代方案，预先确定的第二时间段的持续时间能够取决于通过第一蓄能模块的蓄能电池模块的电流的数值。由此能够使用蓄能电池模块的寄生电感，从而实现提高调节器功能。

根据按本发明的方法的另一实施方式，能够重复桥接蓄能电池模块的步骤以及将至少一个蓄能电池模块接入到供能线路中的步骤。

根据按本发明的方法的另一实施方式，能够在重复步骤中操控至少一个第二蓄能模块的耦合装置用于将第二蓄能模块的蓄能电池模块接入到供能线路中。

根据按本发明的系统的实施方式，所述耦合装置能够包括全桥连接的耦合元件。作为替代方案，所述耦合装置能够包括半桥连接的耦合元件。

根据按本发明的系统的另一实施方式，所述蓄能电池能够包括锂离子蓄电池。

根据按本发明的系统的另一实施方式，所述系统还能够包括耦合电感，该耦合电感耦合在蓄能装置的输出接头之一和直流电源之间。

根据按本发明的系统的另一实施方式，所述直流电源能够是太阳能电池、增程器、低压电池或者双象限电源。用所述方案能够非常灵活地给所述系统进行充电。此外，使用已经存在于系统中的能源用于对蓄能装置进行充电。

附图说明

本发明的实施方式的其他特征及优点由下面结合附图所作的说明中给出。

附图中：

图1示出按本发明的一种实施方式的具有蓄能装置的系统的示意图；

图2示出按图1的蓄能装置的蓄能模块的一种实施例的示意图；

图3示出按图1的蓄能装置的蓄能模块的另一种实施例的示意图；并且

图4示出按本发明的另一种实施方式的对系统中蓄能装置的蓄能电池进行充电的方法的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于将由蓄能模块3提供的直流电压转换成n相的交流电压的系统100。该系统100包括带有蓄能模块3的蓄能装置1，所述蓄能模块在供能线路中串联。该供能线路耦合在蓄能装置1的两个输出接头1a和1b之间，所述输出接头分别耦合到直流中间回路2b上。图1中的系统100例如用于为三相电机6供给。然而也能够提出，所述蓄能装置1用于产生用于供能网络6的电流。

此外，所述蓄能装置1经由耦合电感2a与直流中间回路2b耦合。所述耦合电感2a例如能够是有针对性地接入到蓄能装置1的输出接头1a与直流中间回路2b之间的电感节流阀。作为替代方案，也能够通过蓄能装置1和直流中间回路2b之间的接线中本来就存在的寄生电感形成所述耦合电感2a。

所述直流中间回路2b为脉冲逆整流器4供给，该脉冲逆整流器由直流中间回路2b的直流电压提供用于电机6的三相交流电压。

所述系统100还能够包括控制装置8，该控制装置与蓄能装置1连接并且借助于所述控制装置能够控制蓄能装置1，从而将蓄能装置1的所希望的总输出电压提供给各个输出接头1a、1b。此外，所述控制装置8还设计用于在对蓄能装置1的蓄能电池进行充电时操控蓄能装置1的各个耦合元件或者说激活的开关元件。

直流电源2c能够连接到蓄能装置1的输出接头1a、1b上或者可选地能够连接到其上。直流电源2c例如能够经由分隔闸2d、2e选择性地与直流中间回路2b并联。直流电源2c例如能够是太阳能电池、混合动力车辆的增程器（所谓的“Range Extender”）、例如车辆的车载电网的低压电池或者双象限电流调节器。分隔闸2d、2e也能够经由控制装置8进行操控。

所述蓄能装置1的供能线路具有至少两个串联的蓄能模块3。图1中蓄能模块3的数量例如为四个，但这里也同样能够是其他任意数量的蓄能模块3。所述蓄能模块3分别具有两个输出接头3a和3b，经由输出接头能够提供蓄能模块3的模块输出电压。因为蓄能模块3最初是串联的，所以蓄能模块3的模块输出电压合计为总输出电压，其被提供给蓄能装置1的输出接头1a、1b。

在图2和图3中以更大的细节图示出了蓄能模块3的两个示例性的结构。在此，蓄能模块3分别包括带有多个耦合元件7a、7c以及7b和7d的耦合装置7。所述蓄能模块3还分别包括带有一个或多个串联的蓄能电池5a到5k的蓄能电池模块5。

在此，所述蓄能电池模块5例如能够具有串联的电池5a到5k，例如锂离子电池或锂离子蓄电池。在此，在图2和图3中所示的蓄能模块3中的蓄能电池5a到5k的数量例如为两个，但同样能够是其他任意数量的蓄能电池5a到5k。所述蓄能电池模块5具有U_M的端电压并且经由连接线路与所配属的耦合装置7的输入接头连接。也就是在所配属的耦合装置7的输入端上存在电压U_M。

在图2中，其中间分接头与输出端3a连接的串联的耦合元件7a和7c形成了全桥的所谓的左分支，并且其中间分接头与输出端3b连接的串联的耦合元件7b和7d形成了全桥的所谓的右分支。所述耦合装置7在图2中构造成分别具有两个耦合元件7a、7c和两个耦合元件7b、7d的全桥线路。在此，所述耦合元件7a、7b、7c、7d能够分别具有激活的开关元件、例如半导体开关以及与之并联的空载二极管。在此能够提出，将耦合元件7a、7b、7c、7d构造成MOSFET开关，其已经具有固有的二极管。

能够例如借助于图1中所示的控制装置9如此操控所述耦合元件7a、7b、7c、7d，从而选择性地在输出接头3a和3b之间接入相应的蓄能电池模块5或者桥接蓄能电池模块5。参照图2例如能够沿着前进方向将蓄能电池模块5接入到输出接头3a和3b之间，其方式是将耦合元件7d的激活的开关元件以及耦合元件7a的激活的开关元件置于闭合状态中，而耦合元件7b和7c的其余两个激活的开关元件置于断开状态下。在这种情况下，在耦合装置7的输出端3a和3b之间存在电压U_M。例如能够通过以下方法调节桥接状态，即将耦合元件7a和7b的两个激活的开关元件置于闭合状态中，而耦合元件7c和7d的两个激活的开关元件保持在断开状态下。例如能够通过以下方法调节第二桥接状态，即耦合元件7c和7d的两个激活的开关置于闭合状态中，而耦合元件7a和7b的激活的开关元件保持在断开状态下。在这两种桥接状态下，在耦合装置7的两个输出端3a和3b之间存在电压0。同样能够将蓄能电池模块5沿着后退方向接入到耦合装置7的输出接头3a和3b之间，其方式为将耦合元件7b和7c的激活的开关元件置于闭合状态中，而耦合元件7a和7d的激活的开关元件置于断开状态下。在这种情况下，在耦合装置7的两个输出端3a和3b之间存在电压U_M。

因此，通过合适地操控所述耦合装置7能够将蓄能模块3的各个蓄能电池模块5有针对性地集成到供能线路的串联线路中。由此能够通过有针对性地操控耦合装置7以选择性地将蓄能模块3的蓄能电池模块5接入到供能线路中来提供总输出电压，该总输出电压取决于蓄能模块3的蓄能电池模块5的各个输出电压。在此，总输出电压能够相应地以阶级的形式得以调节，其中阶级的数量与蓄能模块3的数量成比例。在蓄能模块3的数量为n时，供能线路的总输出电压在2n+1级中能够在-n·U_M，…，0，…，+n·U_M之间得以调节。

图3示出了用于蓄能模块3的另一示例性的设计方式的示意图。在此，所述耦合装置7仅仅包括耦合元件7a和7c，这些耦合元件作为半桥线路将蓄能电池模块5要么在桥接状态中要么在接入状态中沿着前进方向接入到供能线路中。此外，类似结合图3所阐述的那样的操控调节适用于在那里示出的全桥连接的蓄能模块3。

图4示出了用于对蓄能装置的蓄能电池、例如图1中蓄能装置1的蓄能电池5a到5k进行充电的方法10的示意图。所述方法10尤其适合用于电驱动车辆中，该车辆具有电动机作为电机6。在这种车辆中能够本来就已经存在直流电源2c、例如增程器或低压电池。但也可能的是，所述直流电源2c仅仅为了充电运行而与系统100耦合。

所述方法10能够包括将蓄能装置1的输出接头1a、1b与直流电源2c进行连接或者说耦合的步骤来作为第一步骤11。在此，例如能够经由电感的组件2a、例如蓄能节流阀或者说耦合电感2a实现所述连接。在这种情况下，所述蓄能节流阀2a以及直流电源2c共同用作提高调节器，从而能够通过提高蓄能节流阀2a中存在于直流电源2c中的电压来提高能够提供给供能线路中的蓄能模块3的充电电压。电感的组件2a通常能够是耦合电感2a，其例如也能够作为蓄能装置1的输出端处的寄生电感存在。所述系统的整个电感也能够由供能线路中局部分布的电感份额和蓄能装置1的线路组成。为了耦合直流电源2c，能够最后操控所述控制装置8、例如分隔闸2d、2e。

为了将电能中间存储在直流中间回路2b中，能够在耦合电感2a中或者说蓄能装置1的寄生电感中在步骤12中操控所有蓄能模块3的耦合装置7从而将蓄能电池模块5桥接在供能线路中长达预先确定的第一时间段。由此，从直流电源2c中获取电能并且作为电流馈入耦合电感2a中。

在此，能够将直流电源2c用在混合的充电以及供给运行中，从而使用一部分电能用于经由直流中间回路2b供给脉冲逆整流器4。此外能够不桥接（überbrücken）所有蓄能模块3，从而在蓄能装置1的电流路径中留下配对电压。

中间保存的能量就能够传递到供能线路的至少一个第一蓄能模块3中。此外，能够在第三步骤13中操控至少一个第一蓄能模块3的耦合装置7用于将各个蓄能电池模块5接入到供能线路中长达预先确定的第二时间段，随后经过预先确定的第一时间段。流过耦合电感2a的电流继续运行并且由此对第一蓄能模块3进行充电。在此能够总是仅对一个蓄能模块3进行充电或者同时对多个蓄能模块3进行充电。也能够在直流电源2c的直流电压小于有待充电的蓄能模块3的模块电压时以所描述的方法对蓄能模块3进行充电。由此能够用恒定的、尤其标准化的直流电压对不同尺寸以及构造的蓄能装置1进行充电。

如果来自耦合电感2a或者说寄生电感的电流低于预先确定的极限值，那么能够结束第二时间段。

根据直流电压、模块电压、耦合电感2a以及所希望的充电电流，能够相应地调整第一和第二时间段的持续时间。能够重复桥接以及接入蓄能模块3的步骤，其中在不同的重复步骤中能够选择用于充电运行的不同的蓄能模块3，例如根据充电状态、负载和/或热量产生进行选择。

Claims (11)

1.用于对蓄能装置（1）的蓄能电池（5a、5k）进行充电的方法（10），所述蓄能装置具有多个串联在供能线路中的蓄能模块（3），所述蓄能模块分别包括：

具有至少一个蓄能电池（5a、5k）的蓄能电池模块（5），以及

带有耦合元件（7a、7b；7c、7d）的耦合装置（7），所述耦合元件设计用于将所述蓄能电池模块（5）选择性地接入或者桥接到所述供能线路中，

其中所述方法（10）具有以下步骤：

将所述蓄能装置（1）的输出接头（1a、1b）与直流电源（2c）进行耦合（11）；

操控（12）所有蓄能模块（3）的耦合装置（7）来桥接所述供能线路中的蓄能电池模块（5）长达预先确定的第一时间段；并且

操控（13）至少一个第一蓄能模块（3）的耦合装置（7）来将所述第一蓄能模块（3）的蓄能电池模块（5）接入所述供能线路中长达预先确定的第二时间段，随后经过所述预先确定的第一时间段。

2.按权利要求1所述的方法（10），其中所述耦合（11）的步骤包括将所述蓄能装置（1）的输出接头（1a、1b）之一与所述直流电源（2c）经由耦合电感（2a）进行耦合，并且其中所述预先确定的第二时间段的持续时间取决于流过耦合电感（2a）的电流的数值。

3.按权利要求1所述的方法（10），其中所述预先确定的第二时间段的持续时间取决于流过所述第一蓄能模块（3）的蓄能电池模块（5）的电流的数值。

4.按权利要求1到3中任一项所述的方法（10），其中重复所述桥接蓄能电池模块（5）的步骤以及所述将至少一个蓄能电池模块（5）接入到供能线路中的步骤。

5.按权利要求4所述的方法（10），其中在重复步骤中操控（13）至少一个第二蓄能模块（3）的耦合装置（7）来将所述第二蓄能模块（3）的蓄能电池模块（5）接入到所述供能线路中。

6.系统（100），具有：

蓄能装置（1），其带有多个串联在供能线路中的蓄能模块（3），所述蓄能模块分别包括：具有至少一个蓄能电池（5a、5k）的蓄能电池模块（5），以及带有耦合元件（7a、7b；7c、7d）的耦合装置（7），所述耦合元件设计用于将所述蓄能电池模块（5）选择性地接入或者桥接到所述供能线路中；

直流中间回路（2b），其与所述蓄能装置（1）的输出接头（1a、1b）耦合；

脉冲逆整流器（4），其与所述直流中间回路（2b）耦合并且由所述直流中间回路（2b）供给输入电压；

电机（6），其与所述脉冲逆整流器（4）耦合并且由所述脉冲逆整流器（4）供给相电压；

直流电源（2c），其可接入地与所述蓄能装置（1）的输出接头（1a、1b）连接；以及

控制装置（8），其与所述耦合装置（7）耦合并且设计用于选择性地操控所述蓄能装置（1）的耦合装置（7）以提供所述蓄能装置（1）的总输出电压并且实施按权利要求1到5中任一项所述的方法（10）。

7.按权利要求6所述的系统（100），其中所述耦合装置（7）包括全桥连接的耦合元件（7a；7b；7c；7d）。

8.按权利要求6所述的系统（100），其中所述耦合装置（7）包括半桥连接的耦合元件（7a；7c）。

9.按权利要求6到8中任一项所述的系统（100），其中所述蓄能电池（5a、5k）包括锂离子蓄电池。

10.按权利要求6到9中任一项所述的系统（100），此外还具有：

耦合电感（2a），其耦合在所述蓄能装置（1）的输出接头之一（1a）与所述直流电源（2c）之间。

11.按权利要求6到10中任一项所述的系统（100），其中所述直流电源（2c）是太阳能电池、增程器、低压电池或双象限电源。